Węgiel na Śląsku działa jak mikroskopijna gąbka magazynująca metan
Metan w pokładach węgla nie znajduje się głównie w wielkich pustych komorach gazowych. Znaczna jego część jest zaadsorbowana na ogromnej wewnętrznej powierzchni mikroporów materii węglowej. Dopóki ciśnienie jest wysokie, gaz pozostaje związany ze strukturą węgla. Gdy górnictwo obniża ciśnienie i rozcina pokład, metan zaczyna się desorbować i przepływać do szczelin oraz wyrobisk. Ten sam mechanizm sprawia, że metan jest jednocześnie poważnym zagrożeniem kopalnianym i możliwym źródłem energii. Właściwości mikroporów decydują więc o realnym zachowaniu gazu w kopalni.
Gaz bez wielkiej pustej przestrzeni
Intuicyjnie złoże gazu kojarzy się z porowatą skałą przykrytą szczelną warstwą. W węglu mechanizm jest inny. Materia węglowa zawiera olbrzymią liczbę mikroskopijnych porów. Cząsteczki metanu przywierają do ich powierzchni wskutek zjawisk fizycznych określanych jako sorpcja. Dlatego ocena zagrożenia metanowego wymaga jednocześnie chemii gazu, fizyki sorpcji, geologii szczelin i inżynierii wentylacji. Sam pomiar zawartości metanu w jednym miejscu nie opisuje jeszcze zachowania całego pokładu.
Dlaczego węgiel może pomieścić dużo gazu
Najważniejsza jest powierzchnia wewnętrzna. Fragment węgla może wyglądać na lity, ale w mikroskali jego struktura zawiera rozbudowaną sieć porów. Suma powierzchni ich ścian jest bardzo duża. Dzięki temu jedna tona węgla może wiązać wiele metrów sześciennych metanu, mimo braku widocznej komory.
Co dzieje się podczas eksploatacji
Gdy wyrobisko zbliża się do pokładu, ciśnienie w otoczeniu spada. Równowaga sorpcji zostaje zaburzona i metan odrywa się od powierzchni węgla. Następnie dyfunduje przez mikropory i płynie większymi szczelinami. Jeśli wydzielanie jest szybkie, koncentracja gazu może osiągnąć niebezpieczny poziom.
Odmetanowanie wykorzystuje ten sam mechanizm
Kopalnie wykonują otwory, którymi ujmują gaz jeszcze przed lub podczas eksploatacji. W technologiach powierzchniowego pozyskiwania metanu obniża się ciśnienie w złożu, między innymi przez odpompowanie wody i udrożnienie szczelin. Celem jest wymuszenie desorpcji, zanim gaz niekontrolowanie dostanie się do wyrobisk.
Dlaczego geologia pokładu ma znaczenie
Ilość i sposób uwalniania metanu zależą od stopnia uwęglenia, ciśnienia, temperatury, przepuszczalności i sieci spękań. Dwa pokłady o podobnej zawartości węgla mogą więc zachowywać się bardzo różnie. Bezpieczeństwo górnictwa zależy nie tylko od wentylacji, ale od rozumienia fizyki gazu uwięzionego w mikroskopijnej strukturze skały.
Adsorpcja to nie to samo co wchłanianie
W adsorpcji cząsteczki gromadzą się na powierzchni materiału, zamiast swobodnie wnikać w jego objętość jak w gąbkę kuchenną. Węgiel ma ogromną powierzchnię wewnętrzną ukrytą w mikroporach, dlatego analogia do gąbki jest użyteczna tylko wtedy, gdy pamiętamy o tej różnicy. Metan jest utrzymywany przede wszystkim przez oddziaływania z powierzchnią materii węglowej. Węgiel przechowuje także inne gazy, ale metan jest najważniejszy z punktu widzenia górnictwa. Jego powstawanie wiąże się z dojrzewaniem materii organicznej podczas pogrzebania, a część może mieć również pochodzenie biogeniczne. Zawartość gazu zmienia się wraz z historią termiczną pokładu i późniejszą migracją. Dlatego mapa metanowości nie jest prostą kopią mapy grubości węgla. Pokazuje dodatkowo, jak pokład był pogrzebany, spękany, odgazowany i ponownie uszczelniony w swojej geologicznej historii.
Woda, ciśnienie i przepuszczalność sterują wydobyciem
Nawet jeśli w pokładzie znajduje się dużo gazu, nie musi on łatwo dopływać do otworu. Metan najpierw desorbuje z mikroporów, potem dyfunduje do większych porów i płynie systemem szczelin. Jeśli szczeliny są słabo połączone albo zamknięte przez wysokie naprężenie, wydajność może być mała. Dlatego potencjalny zasób gazu i możliwość jego gospodarczego pozyskania to dwa różne pytania. W kopalni ma to bezpośredni wymiar bezpieczeństwa. Metan jest palny, a w odpowiednim stężeniu z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową, dlatego wyrobiska są intensywnie wentylowane i monitorowane. Jednocześnie ujmowanie gazu przez instalacje odmetanowania zmniejsza ilość trafiającą do atmosfery kopalnianej i pozwala część metanu energetycznie wykorzystać. Ta sama cząsteczka jest więc zależnie od miejsca i koncentracji zagrożeniem, zasobem albo gazem cieplarnianym emitowanym do atmosfery. Pomiar metanonośności wymaga pobierania próbek i uwzględniania gazu, który zaczyna uciekać już podczas wydobywania rdzenia lub próbki. To dobry przykład problemu pomiarowego: obserwator zmienia warunki badanego układu. Aby oszacować pierwotną ilość metanu w pokładzie, trzeba więc rekonstruować także część gazu utraconego przed właściwym pomiarem. Właśnie dlatego metanowość pokładu jest własnością dynamicznego systemu, a nie prostą liczbą przypisaną raz na zawsze do węgla. Geologia decyduje więc zarówno o ilości gazu, jak i o tempie, z jakim może on zostać uwolniony.